مدل سازی رفتار دینامیکی غیرخطی تیرک ذوزنقه شکل میکروسکوپ نیروی اتمی غوطه ور در مایع بر مبنای روش های تحلیلی و آزمایشگاهی

در این مقاله رفتار دینامیکی غیرخطی تیرک میکروسکوپ نیروی اتمی در حالت غوطه­ور در محیط مایع مدل­سازی شده است. برای ارتقای مدل، حداکثر جزئیات لازم برای تیرک و سطح نمونه در نظر گرفته شده است. با توجه به اهمیت میکروسکوپ نیروی اتمی در تحلیل و عکس­برداری از سطوح مختلف، داشتن یک مدل نظری جامع و کامل به منظور تفسیر و تحلیل تصاویر گرفته­شده، پیشگویی درباره نتایج حاصل از تحلیل سطوح و حتی انتخاب حالت کاربردی برای میکروسکوپ، مخصوصا در محیط­های مایع و زیستی امری ضروری است. به منظور مدل­سازی ارتعاشی تیرک برخلاف مدل­های قبلی به جای نظریه تیر اولر- برنولی از مدلی دقیق­تر یعنی نظریه تیر تیموشنکو، که اثرهای تغییر شکل برشی و لختی چرخشی را در نظر می­گیرد، استفاده شده است. در مدل­سازی جزئیاتی همچون ضخامت تیرک، طول و عرض تیرک، زاویه بین تیرک و سطح نمونه، سفتی­های نسبی عمودی و مماسی، ارتفاع نوک هرمی نصب­شده به انتهای تیرک، نسبت شیب عرضی، نسبت شیب ارتفاعی، زمان و لزجت سیال به عنوان محیط در نظر گرفته شده اند. در شرایط مرزی از مدل غیرخطی نیروی بین تیرک و سطح نمونه بر مبنای نظریه برخورد هرتز استفاده شده است. برای حل معادله­های غیرخطی از روش عددی مشتقات مربعی استفاده و به طور کلی رفتار نرم شوندگی برای تمامی نمونه­ها مشاهده شده است. تتراکلرید کربن، آب، متانول و استون به عنوان محیط­های مایع به کاربرده برده شده است. نتایج نشان می­دهند که با افزایش لزجت سیال به عنوان محیط، بسامد تشدید تیرک کاهش می­یابد. متغیر زمان، تاثیر قابل ملاحظه ای بر بسامد تشدید تیرک ندارد. در ادامه، نتایج نظری با مدل آزمایشگاهی برای یک تیرک نمونه در محیط­های آب و هوا در هر دو حالت تماسی و غیر تماسی مقایسه شده است و مقایسه آن­ها سازش خوبی را نشان می­دهد.

کلیدواژه ها:

Atomic Force Microscope ، Tapered Micro Cantilever ، Damping Effect ، Timoshenko Beam Theory ، Immersion in Liquid Environment ، میکروسکوپ نیروی اتمی ، تیرک ذوزنقه ای شکل ، اثرات میرایی ، نظریه تیر تیموشنکو ، محیط غوطه وری مایع